肩关节骨肌系统模拟器是深刻研究肩关节生物力学特性的关键设备,其研究成果可用于不可修复肩袖撕裂病理及其修复策略的研究。人体肩关节运动受力的复杂性使得模拟器的研发具有极大挑战性。因此,本文基于解剖学和机械设计方法开发了一套肩关节体外生物力学模拟器并进行了实验研究,主要工作内容及成果如下:1)从肩关节的运动机理及其生物力学参数的测量要求出发,运用质量功能展开和功能分析方法明确了设计目标。依据实验需求和肩关节解剖特征,设计了肩关节骨端夹具、外展模拟驱动机构和测量装置的结构方案,建立了模拟器的三维模型。其中加载系统采用了电动与气动混合驱动的方式以提供准确稳定的仿生肌力输出。2)针对肩关节模拟器的关键机构,进行了运动学和动力学分析。通过对肩胛外展驱动机构和盂肱外展加载系统的行程与拉力输出估算,为致动器的选型提供了理论参考。从运动学角度分析了盂肱外展角度测量机构的测量误差,确认了其机构设计的合理性。基于CREO软件的运动仿真分析,证明了模拟器整体设计方案的可行性。3)根据测控系统的需求,搭建了集中控制式的硬件系统和程控架构的软件系统。以比例压力阀为核心建立了力闭环阀控系统;以电动推杆和角度编码器实现位置闭环控制。模拟器具备静态加载和动态模拟两种实验模式,其中动态运动控制是通过在三角肌和肩袖肌肉上施加持续变化的力来实现的。基于LabVIEW软件完成了力加载过程中力与位移信息的输入与输出任务,满足了用户对外展模拟过程的控制和生物力学参数测量的功能需求。针对肩袖撕裂修复研究的实验要求,在人机交互界面上设置了可切换的标本状态和加载模式选择,而且实时记录的实验数据可在软件界面上直接导出以便于后续的结果分析。4)为检验本文设计的肩关节模拟器的性能,在标本肩袖完整的条件下分别进行了静态和动态实验。运动轨迹的跟踪能力和功能参数的统计能力分别由均方根误差(RMSE)与标准差(SD)进行量化评估。在静态实验中,肱骨头上移量的SD不大于0.36mm;肱骨旋转运动范围的SD不大于1.69°。在动态实验中,盂肱外展轨迹的RMSE小于1.44°,SD小于1.1°;动态肌肉加载力中最大的SD不超过2.1N;盂肱关节压力的SD不超过4.84N。实验结果表明,本文设计的肩关节模拟器具有高准确性和可重复性,从而为肩关节体外生物力学的研究提供了一种高性能的实验仪器。